Буряков А.М.

Генерация второй оптической гармоники в оксидных многослойных
гетероструктурах YFeO3/LaFeO3.
Буряков А.М.
Аспирант
Московский государственный технический университет радиотехники,
электроники и автоматики, Москва, Россия
E-mail: [email protected]
Гетероструктуры YFeO3/LaFeO3(YFO/LFO), являются перспективной основой для
создания магнитоэлектронных устройств. Возникновение поляризации в результате
нарушения инверсионной симметрии является необходимым условием для
технологически важных свойств ферро- и пьезоэлектричества, используемых в
конденсаторах и актюаторах, в то время как нарушение временной симметрии требуется
для магнитоупорядоченных состояний, таких как антиферро- и ферромагнетизм,
используемых в устройствах хранения информации. Такие структуры обладают хорошей
чувствительностью и селективностью в отношении различных токсичных газов,
например, CO и NOx [1].
Известно, что электродипольный вклад в генерацию второй оптической
гармоники (ГВГ) разрешен лишь в нецентросимметричных средах [2]. Однако, как было
показано в нескольких теоретических [3-5] и экспериментальных [6,7] работах,
магнитодипольный МД и квадрупольный КД вклады могут быть существенными
вследствие резонансного усиления, и поэтому могут быть измерены экспериментально.
Нелинейная поляризация для таких структур может быть записана как [8]:
.
(1)
В данной работе представлены исследования поверхностных и интерфейсных
состояний мультислойных образцов YFO/LFO, проведенные методом ГВГ.
В установке для измерения магнитоиндуцированной ГВГ образец был помещен в
магнитное поле, прикладываемое в меридиальной геометрии (т.е. вектор напряженности
магнитного поля находится в плоскости образца).
Нами были экспериментально исследованы серии гетероструктур с четным и
нечетным числом монослоев YFO и LFO на подложке DyScO3. Общая толщина
монослоев 160 nm. Результаты расчета суммарной поляризации для различного
количества монослоев показали, что при нечетном числе монослоев наблюдается
максимальная поляризация, а при четном числе монослоев поляризация равна 0. Причем
увеличение количества слоев уменьшает суммарную поляризацию всей структуры.
Магнитный вклад в ГВГ проявляется в виде неэквивалентных зависимостей
интенсивности ГВГ при приложении магнитных полей противоположных знаков.
Неэквивалентность интенсивностей ГВГ возникает вследствие монодоменизации
образца при приложении внешнего магнитного поля, а также из-за отсутствия
кристаллографического и одновременного сосуществования магнито-дипольного и
квадрупольного вкладов, а также их интерференции. Интенсивности ГВГ при
приложении полей противоположных знаков для образца с четным числом монослоев не
различаются.
На рис.1 (a) представлен спектр ГВГ в диапазоне энергии фотонов hω=1.33-1.6эВ.
Резонансное усиление магнитодипольного вклада в ГВГ наблюдается при энергии
фотонов 1,41 эВ. Магнитоиндуцированная генерация второй оптической гармоники в
зависимости от количества монослоев представлена на рисунке 1(b). Изменение
коэрцитивного поля показано стрелками. Максимальная ширина наблюдается у
структуры с единичным монослоем.
а
b
Рис 1. (a) Спектр ГВГ в мультислойном образце с единичным монослоем.
(b) Полевая зависимость интенсивности ГВГ для мультислойных структур
(YFeO3)n/(LaFeO3)n, n=1,3,4,5
Поскольку интенсивность ГВГ пропорциональна квадрату поляризации,
экспериментальная зависимость поляризации в зависимости от количества монослоев.
качественно подтверждает теоретическую кривую полученную в работе [1].
На основе анализа поляризационных зависимостей генерации второй оптической
гармоники было показано, что нелинейный оптический сигнал в структурах YFO/LFO
обусловлен магнитодипольным вкладом. Было показано, что максимальная величина
поляризации наблюдалась у гетероструктур с нечетным числом монослоев. Причем с
увеличением числа монослоев суммарная поляризация гетероструктуры уменьшается.
Приложение внешнего магнитного поля монодоменизирует структуры [9] и приводит к
неэквивалентности
двух
противоположных
направлений
намагниченности.
Неэквивалентность интенсивностей ГВГ может быть объяснена отсутствием
кристаллографического вклада в нелинейную поляризацию.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №13-02-12450 офи_м2.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Литература
J. Alaria, P. Borisov, M. S. Dyer, T. D. Manning, S. Lepadatu, M. G. Cain. Chemical
Science, 5// (2014) 1599-1610
Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики. – М.: Наука, 1989.
Fiebig et al. J.Opt.SocAm.B/Vol.22,No. 1/January (2005)
Kielich S., Zawodny R. DC magnetic field-induced second harmonic generation of
laser beam // Opt. Commun. – 1971, Vol. 4. – P. 132-134.
Kielich S., Zawodny R. On new nonlinear magneto-optical phenomena in crystals and
liquids // Optica Acta – 1973, Vol. 20. – P. 867-877.
Tom H. W. K., Heinz T. F., and Shen Y. R. Second-harmonic reflection fromsilicon
surfaces and its relation to structural symmetry // Phys. Rev.Lett. – 1983, Vol. 51. – P.
1983-1986.
Meijer E. W., Havinga E. E., and Rikken G. L. J. A. Second-harmonicgeneration in
centrosymmetric crystals of chiral molecules // Phys. Rev.Lett. – 1990, Vol. 65. – P.
37-39.
Pavlov V. V., Kalashnikova A. M., Pisarev R. V., Sa¨ nger I., Yakovlev D. R., Bayer
M. Magneto-optical second-harmonic generation in semiconductors GaAs and CdTe //
Proc. SPIE – 2006, Vol. 6259.–P. 625903-625912
Банщиков А.Г., Кимель А.В., Павлов В.В. и др. Физ. тверд. тела, Vol: 42, No: 5